Что такое сокеты линукс
Сокеты обеспечивают двухстороннюю связь типа «точка-точка» между двумя процессами. Они являются основными компонентами межсистемной и межпроцессной связи. Каждый сокет представляет собой конечную точку связи, с которой может быть совмещено некоторое имя. Он имеет определенный тип, и один процесс или несколько, связанных с ним процессов.
Сокеты находятся в областях связи (доменах). Домен сокета — это абстракция, которая определяет структуру адресации и набор протоколов. Сокеты могут соединяться только с сокетами в том же домене. Всего выделено 23 класса сокетов (см. файл ), из которых обычно используются только UNIX-сокеты и Интернет-сокеты. Сокеты могут использоваться для установки связи между процессами на отдельной системе подобно другим формам IPC.
Класс сокетов UNIX обеспечивает их адресное пространство для отдельной вычислительной системы. Сокеты области UNIX называются именами файлов UNIX. Сокеты также можно использовать, чтобы организовать связь между процессами на различных системах. Адресное пространство сокетов между связанными системами называют доменом Интернета. Коммуникации домена Интернета используют стек протоколов TCP/IP.
Типы сокетов определяют особенности связи, доступные приложению. Процессы взаимодействуют только через сокеты одного и того же типа. Основные типы сокетов:
Поточный — обеспечивает двухсторонний, последовательный, надежный, и недублированный поток данных без определенных границ. Тип сокета — SOCK_STREAM , в домене Интернета он использует протокол TCP. Датаграммный — поддерживает двухсторонний поток сообщений. Приложение, использующее такие сокеты, может получать сообщения в порядке, отличном от последовательности, в которой эти сообщения посылались. Тип сокета — SOCK_DGRAM , в домене Интернета он использует протокол UDP. Сокет последовательных пакетов — обеспечивает двухсторонний, последовательный, надежный обмен датаграммами фиксированной максимальной длины. Тип сокета — SOCK_SEQPACKET . Для этого типа сокета не существует специального протокола. Простой сокет — обеспечивает доступ к основным протоколам связи. Все сокеты обычно ориентированы на применение датаграмм, но их точные характеристики зависят от интерфейса, обеспечиваемого протоколом. Обмен между сокетами происходит по следующей схеме:
| Сервер | Клиент | |
| Установка сокета socket () | Установка сокета socket () | |
 | | |
| Присвоение имени bind () | | |
| | |
| Установка очереди запросов listen () | | |
| | |
| Выбор соединения из очереди accept () |  | Установка соединения connect () |
| | |
| read () |  | write() |
| | |
| write() |  | read () |
Next: Создание и именование сокетов Up: Сокеты Previous: Сокеты Contents 2004-06-22
Источник
Сокеты в ОС Linux
В данной статье будет рассмотрено понятие сокета в операционной системе Linux: основные структуры данных, как они работают и можно ли управлять состоянием сокета с помощью приложения. В качестве практики будут рассмотрены инструменты netcat и socat.
Что такое сокет?
Сокет — это абстракция сетевого взаимодействия в операционной системе Linux. Каждому сокету соответствует пара IP-адрес + номер порта. Это стандартное определение, к которому привыкли все, спасибо вики. Хотя нет, вот здесь лучше описано. Поскольку сокет является только лишь абстракцией, то связка IP-адрес + номер порта — это уже имплементация в ОС. Верное название этой имплементации — «Интернет сокет». Абстракция используется для того, чтобы операционная система могла работать с любым типом канала передачи данных. Именно поэтому в ОС Linux Интернет сокет — это дескриптор, с которым система работает как с файлом. Типов сокетов, конечно же, намного больше. В ядре ОС Linux сокеты представлены тремя основными структурами:
struct socket — представление сокета BSD, того вида сокета, который стал основой для современных «Интернет сокетов»;
struct sock — собственная оболочка, которая в Linux называется «INET socket»;
struct sk_buff — «хранилище» данных, которые передает или получает сокет;
Как видно по исходным кодам, все структуры достаточно объемны. Работа с ними возможна при использовании языка программирования или специальных оберток и написания приложения. Для эффективного управления этими структурами нужно знать, какие типы операций над сокетами существуют и когда их применять. Для сокетов существует набор стандартных действий:
socket — создание сокета;
bind — действие используется на стороне сервера. В стандартных терминах — это открытие порта на прослушивание, используя указанный интерфейс;
listen — используется для перевода сокета в прослушивающее состояние. Применяется к серверному сокету;
connect — используется для инициализации соединения;
accept — используется сервером, создает новое соединение для клиента;
send/recv — используется для работы с отправкой/приемом данных;
close — разрыв соединения, уничтожение сокета.
Если о структурах, которые описаны выше, заботится ядро операционной системы, то в случае команд по управлению соединением ответственность берет на себя приложение, которое хочет пересылать данные по сети. Попробуем использовать знания о сокетах для работы с приложениями netcat и socat.
netcat
Оригинальная утилита появилась 25 лет назад, больше не поддерживается. На cегодняшний день существуют порты, которые поддерживаются различными дистрибутивами: Debian, Ubuntu, FreeBSD, MacOS. В операционной системе утилиту можно вызвать с помощью команды nc, nc.traditional или ncat в зависимости от ОС. Утилита позволяет «из коробки» работать с сокетами, которые используют в качестве транспорта TCP и UDP протоколы. Примеры сценариев использования, которые, по мнению автора, наиболее интересны:
перенаправление входящих/исходящих запросов;
трансляция данных на экран в шестнадцатеричном формате.
Опробуем операции в действии. Задача будет состоять в том, что необходимо отправить TCP данные через netcat в UDP соединение. Для лабораторной будет использоваться следующая топология сети:
Введем команду на открытие порта на машине Destination: nc -ulvvp 7878
Настроим машину Repeater. Так как передача из одного интерфейса этой машины будет происходить по протоколу TCP, а на другой интерфейс будет осуществляться передача по протоколу UDP, то для таких действий необходимо сделать соединитель, который сможет накапливать данные и пересылать их между открытыми портами. На такую роль отлично подходит FIFO файл. Поэтому команда для запуска будет выглядеть так: sudo mkfifo /tmp/repeater #создать FIFO файл
sudo nc -l -p 4545 > /tmp/repeater | nc -u 10.0.3.5 7878 IP адрес 10.0.3.5 — адрес машины Destination. Символы «|» и «> nc 10.0.2.4 4545
В итоге получаем возможность читать данные от машины Source:
В машине Destination:
Пример с трансляцией данных в шестнадцатеричном формате можно провести так же, но заменить команду на Destination или добавить еще один пайп на Repeater:
nc -l -p 4545 -o file
В результате будет создан файл, в котором можно будет обнаружить передаваемые данные в шестнадцатеричном формате:
Как видно из тестового сценария использования, netcat не дает контролировать практически ничего, кроме направления данных. Нет ни разграничения доступа к ресурсам, которые пересылаются, ни возможности без дополнительных ухищрений работать с двумя сокетами, ни возможности контролировать действия сокета. Протестируем socat.
socat
Инструмент, который до сих пор поддерживается и имеет весьма обширный функционал по склейке каналов для взаимодействия. Разработчиками инструмент именуется как netcat++. Ниже приведем небольшой список того что можно перенаправить через socat:
STDIO -> TCP Socket;
FILE -> TCP Socket;
TCP Socket -> Custom Application;
UDP Socket -> Custom Application;
Для повседневного использования достаточно опций, но если понадобится когда-то работать напрямую с серийным портом или виртуальным терминалом, то socat тоже умеет это делать. Полный перечень опций можно вызвать с помощью команды:
Помимо редиректов socat также можно использовать как универсальный сервер для расшаривания ресурсов, через него можно как через chroot ограничивать привилегии и доступ к директориям системы.
Чтобы комфортно пользоваться этим инструментом, нужно запомнить шаблон командной строки, который ожидает socat:
socat additionalOptions addr1 addr2
additionalOptions — опции, которые могут добавлять возможности логирования информации, управления направлением передачи данных;
addr1 — источник данных или приемник (влияет использование флага U или u), это может быть сокет, файл, пайп или виртуальный терминал;
addr2 — источник данных или приемник (влияет использование флага U или u), это может быть сокет, файл, пайп или виртуальный терминал;
Попробуем провести трансляцию данных из сокета в сокет. Будем использовать для этого 1 машину. Перед началом эксперимента стоит отметить, что особенностью socat является то, что для его корректной работы нужно обязательно писать 2 адреса. Причем адрес не обязательно должен быть адресом, это может быть и приложение, и стандартный вывод на экран.
Например, чтобы использовать socat как netcat в качестве TCP сервера, можно запустить вот такую команду:
socat TCP-LISTEN:4545, STDOUT
Для коннекта можно использовать netcat:
nc localhost 4545
При таком использовании, socat дает возможность пересылать сообщения в обе стороны, но если добавить флаг «-u», то общение будет только от клиента к серверу. Все серверные сообшения пересылаться не будут:
Настроим более тонко наш сервер, добавив новые опции через запятую после используемого действия:
socat TCP-LISTEN:4545,reuseaddr,keepalive,fork STDOUT
Дополнительные параметры распространяются на те действия, которые socat может выполнять по отношению к адресу. Полный список опций можно найти здесь в разделе «SOCKET option group».
Таким образом socat дает практически полный контроль над состоянием сокетов и расшариваемых ресурсов.
Статья написана в преддверии старта курса Network engineer. Basic. Всех, кто желает подробнее узнать о курсе и карьерных перспективах, приглашаем записаться на день открытых дверей, который пройдет уже 4 февраля.
Источник
Что такое сокеты линукс
В конкурсе на лучшую компьютерную идею всех времен и народов сокеты, без сомнения, могли бы рассчитывать на призовое место. Как и другие средства межпроцессного взаимодействия, рассмотренные в этой серии статей, сокеты впервые были реализованы именно на платформе Unix (4.2BSD), однако, концепция сокетов, как универсального средства обмена данными между процессами, оказалась настолько удачна, что все современные системы поддерживают, по крайней мере, некоторое подмножество сокетов. Причины успеха сокетов заключаются в их простоте и универсальности. Программы, обменивающиеся данными с помощью сокетов, могут работать в одной системе и в разных, используя для обмена данными как специальные объекты системы, так и сетевой стек. Как и каналы, сокеты используют простой интерфейс, основанный на «файловых» функциях read(2) и write(2) (открывая сокет, программа Unix получает дескриптор файла, благодаря которому можно работать с сокетами, используя файловые функции), но, в отличие от каналов, сокеты позволяют передавать данные в обоих направлениях, как в синхронном, так и в асинхронном режиме.
Большинство программистов используют для работы с сокетами различные библиотеки высокого уровня, однако, высокоуровневые библиотеки, как правило, не позволяют задействовать всю мощь и все многообразие сокетов. Наглядный пример многообразия – файловые сокеты. Программистам Windows должны быть знакомы сетевые сокеты, которые обычно организуют обмен данными с помощью протоколов семейства TCP/IP, однако в Unix есть и другие типы сокетов, специально предназначенные для обмена данными между локальными процессами.
Сокеты в файловом пространстве имен
Константы и функции, необходимые для работы с сокетами в файловом пространстве имен, объявлены в файлах и . Как и файлы, сокеты в программах представлены дескрипторами. Дескриптор сокета можно получить с помощью функции socket(2). Первый параметр этой функции – домен, к которому принадлежит сокет. Домен сокета обозначает тип соединения (а не доменное имя Интернета, как вы могли бы подумать). Домен, обозначенный константой AF_UNIX, соответствует сокетам в файловом пространстве имен. Второй параметр socket() определяет тип сокета. значение SOCK_DGRAM указывает датаграммный сокет (я предпочитаю этот вариант написания используемому в [1] «дейтаграммный»). Датаграммные сокеты осуществляют ненадежные соединения при передаче данных по сети и допускают широковещательную передачу данных. Другой часто используемый тип сокетов – SOCK_STREAM соответствует потоковым сокетам, реализующим соединения «точка-точка» с надежной передачей данных. Впрочем, в пространстве файловых имен датаграммные сокеты также надежны, как и потоковые сокеты. Третий параметр функции socket() позволяет указать протокол, используемый для передачи данных. Мы оставляем значение этого параметра равным нулю. В случае ошибки функция socket() возвращает -1.
После получения дескриптора сокета мы вызываем функцию bind(2), которая связывает сокет с заданным адресом (связывать сокет с адресом необходимо в программе-сервере, но не в клиенте). Первым параметром функции является дескриптор, а вторым – указатель на структуру sockaddr (переменная srvr_name), содержащую адрес, на котором регистрируется сервер (третий параметр функции – длина структуры, содержащей адрес). Вместо общей структуры sockaddr для сокетов Unix (сокетов в файловом пространстве имен) можно использовать специализированную структуру sockaddr_un. Поле sockaddr.sa_family позволяет указать семейство адресов, которым мы будем пользоваться. В нашем случае это семейство адресов файловых сокетов Unix AF_UNIX. Сам адрес семейства AF_UNIX (поле sa_data) представляет собой обычное имя файла сокета. После вызова bind() наша программа-сервер становится доступна для соединения по заданному адресу (имени файла).
При обмене данными с датаграммными сокетами мы используем не функции write() и read(), а специальные функции recvfrom(2) и sendto(2). Эти же функции могут применяться и при работе с потоковыми сокетами, но в соответствующем примере мы воспользуемся «сладкой парочкой» read()/write(). Для чтения данных из датаграммного сокета мы используем функцию recvfrom(2), которая по умолчанию блокирует программу до тех пор, пока на входе не появятся новые данные.
Вызывая функцию recvfrom(), мы передаем ей указатель на еще одну структуру типа sockaddr, в которой функция возвращает данные об адресе клиента, запросившего соединение (в случае файловых сокетов этот параметр не несет полезной информации). Последний параметр функции recvfrom() – указатель на переменную, в которой будет возвращена длина структуры с адресом. Если информация об адресе клиента нас не интересует, мы можем передать значения NULL в предпоследнем и последнем параметрах. По завершении работы с сокетом мы закрываем его с помощью «файловой» функции close(). Перед выходом из программы-сервера следует удалить файл сокета, созданный в результате вызова socket(), что мы и делаем с помощью функции unlink().
Если программа-сервер показалась вам простой, то программа-клиент (fsclient.c) будет еще проще. Мы открываем сокет с помощью функции socket() и передаем данные (тестовую строку) серверу с помощью «напарника» recvfrom(), функции sendto(2):
Первый параметр функции sendto() – дескриптор сокета, второй и третий параметры позволяют указать адрес буфера для передачи данных и его длину. Четвертый параметр предназначен для передачи дополнительных флагов. Предпоследний и последний параметры несут информацию об адресе сервера и его длине, соответственно. Если при работе с датаграммными сокетами вызвать функцию connect(2) (см. ниже), то можно не указывать адрес назначения каждый раз (достаточно указать его один раз, как параметр функции connect()). Перед вызовом функции sendto() нам надо заполнить структуру sockaddr (переменную srvr_name) данными об адресе сервера. После окончания передачи данных мы закрываем сокет с помощью close(). Если вы запустите программу-сервер, а затем программу-клиент, то сервер распечатает тестовою строку, переданную клиентом.
Парные сокеты
Парные сокеты создаются функцией socketpair(2). У функции socketpair() четыре параметра. Первые три параметра функции те же, что и у socket(), а четвертым параметром является массив из двух переменных, в которых возвращаются дескрипторы. Дескрипторы сокетов, возвращенные socketpair(), уже готовы к передаче данных, так что мы сразу можем применять к ним функции read()/write(). После вызова fork() каждый процесс получает оба дескриптора, один из которых он должен закрыть. Для закрытия сокета мы используем функцию close().
При взгляде на интерфейс программирования парных сокетов может возникнуть вопрос, а почему собственно эти функции относятся к сокетам? Ведь при работе с ними мы не используем ни адреса, ни модель клиент-сервер. Это верно, но заметьте, что функции socketpair() передаются значения домена и типа сокета, так что и формально, и с точки зрения реализации в системе мы используем настоящие сокеты. Следует отметить, что указание домена в функции socketpair() выглядит явно излишне, поскольку для этой функции система поддерживает только сокеты в домене AF_UNIX (вполне логичное ограничение, если учесть, что парные сокеты не имеют имен и предназначены для обмена данными между родственными процессами).
Сетевые сокеты
Использование сетевых сокетов сделает процесс масштабирования проекта безболезненным. Впрочем, у сетевых сокетов есть и недостатки. Даже если сокеты используются для обмена данными на одной и той же машине, передаваемые данные должны пройти все уровни сетевого стека, что отрицательно сказывается на быстродействии и нагрузке на систему.
В качестве примера мы рассмотрим комплекс из двух приложений, клиента и сервера, использующих сетевые сокеты для обмена данными. Текст программы сервера вы найдете в файле netserver.c, ниже мы приводим некоторые фрагменты. Прежде всего, мы должны получить дескриптор сокета:
В первом параметре функции socket() мы передаем константу AF_INET, указывающую на то, что открываемый сокет должен быть сетевым. Значение второго параметра требует, чтобы сокет был потоковым. Далее мы, как и в случае сокета в файловом пространстве имен, вызываем функцию bind():
Переменная serv_addr, — это структура типа sockaddr_in. Тип sockaddr_in специально предназначен для хранения адресов в формате Интернета. Самое главное отличие sockaddr_in от sockaddr_un – наличие параметра sin_port, предназначенного для хранения значения порта. Функция htons() переписывает двухбайтовое значение порта так, чтобы порядок байтов соответствовал принятому в Интернете (см. врезку). В качестве семейства адресов мы указываем AF_INET (семейство адресов Интернета), а в качестве самого адреса – специальную константу INADDR_ANY. Благодаря этой константе наша программа сервер зарегистрируется на всех адресах той машины, на которой она выполняется.
Именно так переводятся на русский язык термины little-endian и big-endian. В компьютерной литературе эти термины обозначают порядок байтов, используемый процессором для представления простых многобайтовых типов (например, 32-битного целого). В оригинале же (то есть в сказочной повести Дж. Свифта «Гулливер в стране лилипутов») так именовались враждебные общественные течения, приверженцы которых придерживались противоположных взглядов на порядок очистки яйца от скорлупы. Разногласия между остроконечниками и тупоконечниками даже стали причинной войны между Лилипутией и враждебным государством Блефуску. Впрочем, в компьютерном мире проблемы порядка байтов могут достигать совсем не лилипутских размеров. На процессорах Intel порядок байтов остроконечный, а, например, в системах MacOS X – Power PC Sun SPARC — тупоконечный (если учесть, что Apple отказалась от PowerPC, а Sun заменяет RISC-архитектуры оптеронами, получится, что остроконечники побеждают). Однако протоколы Интернета используют «тупоконечный» порядок байтов. Для того чтобы избежать путаницы, во всех системах, включая «тупоконечников» рекомендуется использовать функцию htons(). Эта функция «знает» порядок байтов в системе и, если нужно, приводит его в соответствие с принятым в протоколах TCP/IP. В русскоязычном Интернете одно время кочевала статья, в которой утверждалась (впрочем, шутливо), что чуждый для Intel порядок байтов и вызванная этим необходимость в дополнительной операции перестановки являются результатом заговора со стороны гигантских софтверных компаний. В книге [1] используются термины «прямой порядок байтов» для little-endian и «обратный порядок байтов» для big-endian.
Чтобы понять, что мы должны делать дальше, давайте вспомним, как работает сетевая подсистема Unix и, в данном случае, любой другой ОС. Сетевой сервер должен уметь выполнять запросы множества клиентов одновременно (наш сервер netserver.c фактически может обработать запрос только одного клиента, но речь сейчас идет об общем случае). При этом в соединениях «точка-точка», например, при использовании потоковых сокетов, для каждого клиента у сервера должен быть открыт отдельный сокет. Из этого следует, что мы не должны устанавливать соединение с клиентом через сам сокет sock, предназначенный для прослушивания входящих запросов (обычно, при использовании сетевых сокетов мы и не можем этого сделать), иначе все другие попытки соединиться с сервером по указанному адресу и порту будут заблокированы. Вместо этого мы вызываем функцию listen(2), которая переводит сервер в режим ожидания запроса на соединение:
Второй параметр listen() – максимальное число соединений, которые сервер может обрабатывать одновременно. Далее мы вызываем функцию accept(2), которая устанавливает соединение в ответ на запрос клиента:
Получив запрос на соединение, функция accept() возвращает новый сокет, открытый для обмена данными с клиентом, запросившим соединение. Сервер как бы перенаправляет запрошенное соединение на другой сокет, оставляя сокет sock свободным для прослушивания запросов на установку соединения. Второй параметр функции accept() содержит сведения об адресе клиента, запросившего соединение, а третий параметр указывает размер второго. Так же как и при вызове функции recvfom(), мы можем передать NULL в последнем и предпоследнем параметрах. Для чтения и записи данных сервер использует функции read() и write(), а для закрытия сокетов, естественно, close(). В программе-клиенте (netclient.c) нам, прежде всего, нужно решить задачу, с которой мы не сталкивались при написании сервера, а именно выполнить преобразование доменного имени сервера в его сетевой адрес. Разрешение доменных имен выполняет функция gethostbyname():
Функция получает указатель на строку с Интернет-именем сервера (например, www.unix.com или 192.168.1.16) и возвращает указатель на структуру hostent (переменная server), которая содержит имя сервера в приемлемом для дальнейшего использования виде. При этом, если необходимо, выполняется разрешение доменного имени в сетевой адрес. Далее мы заполняем поля переменной serv_addr (структуры sockaddr_in) значениями адреса и порта:
Программа-клиент открывает новый сокет с помощью вызова функции socket() аналогично тому, как это делает сервер (дескриптор сокета, который возвращает socket() мы сохраним в переменной sock), и вызывает функцию connect(2) для установки соединения:
Теперь сокет готов к передаче и приему данных. Программа-клиент считывает символы, вводимые пользователем в окне терминала. Когда пользователь нажимает , программа передает данные серверу, ждет ответного сообщения сервера и распечатывает его.
На протяжении этой статьи мы несколько раз упоминали не-блокирующие сокеты. Остановимся на них немного подробнее. О не-блокирующих сокетах вам нужно знать, прежде всего, то, что ими можно не пользоваться. Благодаря многопоточному (многопрограммному) программированию мы можем использовать блокирующие сокеты во всех ситуациях (и тогда, когда нам нужно обрабатывать несколько сокетов одновременно, и тогда, когда нам требуется возможность прервать операцию, выполняемую над сокетом). Рассмотрим, тем не менее, две функции, необходимые для работы с не-блокирующими сокетами. По умолчанию функция socket() создает блокирующий сокет. Чтобы сделать его не- блокирующим, мы используем функцию fcntl(2):
Теперь любой вызов функции read() для сокета sock будет возвращать управление сразу же. Если на входе сокета нет данных для чтения, функция read() вернет значение EAGAIN. Для поверки состояния не-блокирующих сокетов можно воспользоваться функцией select(2). Функция select() способна проверять состояние нескольких дескрипторов сокетов (или файлов) сразу. Первый параметр функции – количество проверяемых дескрипторов. Второй, третий и четвертый параметры функции представляют собой наборы дескрипторов, которые следует проверять, соответственно, на готовность к чтению, записи и на наличие исключительных ситуаций. Сама функция select() – блокирующая, она возвращает управление, если хотя бы один из проверяемых сокетов готов к выполнению соответствующей операции. В качестве последнего параметра функции select() можно указать интервал времени, по прошествии которого она вернет управление в любом случае. Вызов select() для проверки наличия входящих данных на сокете sock может выглядеть так:
Все, что касается функции select() теперь объявляется в заголовочном файле (раньше объявления элементов функции select() были разбросаны по файлам , и ). В приведенном фрагменте кода FD_SET и FD_ISSET – макросы, предназначенные для работы с набором дескрипторов fd_set.
На этом мы закончим знакомство с увлекательным миром межпроцессного взаимодействия Linux. Следующая статья будет посвящена управлению процессами, сигналам и потокам.
Источник
